王洪玉1 朱振宇2
1.江苏省水利工程建设局 江苏南京 210029；2.江苏省太湖地区水利工程管理处 江苏苏州 215128
摘要：劲性复合桩是近年来在江苏地区发展起来的一种新型桩基，十分适用于沿海、沿江软基处理的经济有效的新桩型，它综合了柔性桩、刚性桩和半刚性桩等三种类型单元桩的优点，能有针对性地、灵活地采取多种组合方式，经济有效地增强地基承载力。本文以新孟河奔牛水利枢纽工程立交地涵部分翼墙地基处理为例，通过设计方案比选、桩基和复合地基计算，为今后类似工程的桩基处理方案提供技术参考。
劲性复合桩技术是由散体桩（S桩）、水泥土类桩（M）、混凝土类桩（C桩）等，通过一定的工艺，将两种或者三种单体桩进行复合而形成劲性复合桩的一项技术。它综合了三种类型单元桩的优点，能有针对性地、灵活地采取多种组合方式，调整各种桩的桩径、桩长、惨灰量、强度、颗粒级配、搅拌和复打次数等。使复合桩充分发挥出桩周软土摩阻力和桩底阻力又匹配材料强度而产生的足够高的单桩承载力，且能显著提高桩间土体强度和对承载的参与度，满足不同的设计要求。
本文通过对奔牛水利枢纽工程立交地涵翼墙桩基处理设计方案比选、桩基和复合地基计算，介绍劲性复合桩在水利工程上的应用。
一、工程概述
本工程为新孟河延伸拓浚工程干河枢纽工程之一，由京杭运河立交地涵、船闸、节制闸和孟九桥组成，工程的主要任务为防洪、引排水和通航。立交地涵设计引水流量565m3/s、排涝流量为498m3/s，共12孔，孔口尺寸8×6.5m；船闸等级为Ⅵ级，有效尺度为16m×135m×3.45ｍ（宽×长×吃水）；节制闸为设计净宽16m的单孔闸。本文仅介绍立交地涵翼墙的地基处理设计。
二、立交地涵翼墙地基分析
根据《新孟河延伸拓浚工程奔牛水利枢纽工程地质勘察报告》，本工程区地貌类型为三角洲平原区的平坦的高亢平原，场地土类别为中软场地土，其中，立交地涵工程地质剖面如图1。
图1 奔牛水利枢纽立交地涵工程地质剖面图
根据本工程地质勘探资料，地涵西侧运河南北第二、三节翼墙均坐落于③3层重粉质砂壤土上，其地基允许承载力[R]=150kPa，底板以下约1.5m为④2层重粉质壤土，力学强度低，其地基允许承载力[R]=100kPa；地涵东侧运河南北第二、三节翼墙均坐落于②3层淤泥质重粉质壤土地基允许承载力[R]=70kPa；南北第二、三节翼墙地基承载力均不能满足规范要求，且地基软土层厚度约4m～6m左右；南北两侧第四节翼墙均位于回填土上。按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012），由于软土层较厚不宜采用开挖回填处理方案，地基处理可采用预制桩、水泥土搅拌桩或劲性复合桩进行地基处理，且为减少翼墙不均匀沉降，地涵南北两侧第二、三、四节翼墙均采用桩基进行地基处理。
三、设计参数和技术方案
针对地基的特点，本文以立交地涵第二节翼墙为例，将预制桩方案、水泥搅拌桩方案和劲性复合桩方案劲芯比选，选择合适的翼墙地基处理方案。
（1）预制桩方案
根据第二节翼墙稳定分析，在各运行工况下，最大水平力为5927kN，控制管桩桩顶位移不超过1.0cm，单桩允许水平承载力为100kN，需布置60根PHC-600（110）AB-C60型砼管桩，同时预制管桩间间距不应小于1.80m，沿底板宽度方向布置8排、每排8根、共64根PHC-600（110）AB-C60型砼管桩，单桩竖向承载力标准值为583kN。预制桩容许承载力按下式计算：
本工程水泥搅拌桩的水泥掺量为被加固土体质量的18％，水泥选用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，采用湿法施工，考虑到地基②3层淤泥质重粉质壤土中局部含有大量的腐蚀质，对水泥土搅拌桩的强度影响较大，根据以往工程经验，设计搅拌桩桩身水泥土的抗压强度不得小于1000kPa。经计算，单桩承载力特征值为94kN，置换率为28.26%，处理后的④2层和②3层的复合地基复合地基承载力分别为148kPa和132kPa，不能满足翼墙地基承载力要求。
（3）劲性复合桩方案
劲性复合桩是将散体材料桩、柔性水泥土类桩和刚性混凝土桩根据不同的地基土质选择相应的组合而形成的一种复合桩型，具有组成复合桩各桩型的特点，适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土以及人工填土等地基。本工程地基②3层土体含水量41.9%，塑性指数17.2，且局部含大量腐蚀质。劲性复合桩选用柔刚复合桩，其中外层桩为柔性桩，采用直径70cm的水泥土搅拌桩，间距为1.5m，水泥掺入量为18%，设计搅拌桩桩身水泥土的抗压强度不得小于1000kP；刚性桩作为桩体内芯，采用C30素砼桩芯，直径为22cm。劲性复合桩结构参见图2。
图2 劲性复合桩结构图
根据《劲性复合桩技术规程》JGJ/T327-2014，采用劲性复合桩后，复合地基承载力可按下式计算。
式中：λ — 单桩承载力发挥系数，取0.95-1.0，本工程取0.95；
β — 桩间土承载力发挥系数，可取0.8-1.0，本工程取0.8；
其余参数与水泥土搅拌桩复合地基计算公式相同。
经计算，劲性复合桩单桩承载力特征值为225kN，置换率为26.6%，处理后的④2层和②3层的复合地基复合地基承载力计算值分别为236kPa和189kPa，满足翼墙地基承载力要求。为提高劲性复合桩复合地基的桩土联合作用效应，在劲性复合桩顶和建筑物基础间设置水泥土褥垫层，厚度为20cm，水泥土中水泥掺入量为8%。
翼墙基础坐落于③3层重粉质砂壤土、④2层重粉质壤土和②3层淤泥质重粉质壤土层上，其固结快剪凝聚力分别为7kPa、17kPa和16.2kPa，内摩擦角分别为25.4°、15.1°和12.6°。处理后的地基土体的强度指标可根据以下公式进行计算：
；
式中：Cc、Φc — 复合地基凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）；
Cs、Φs — 桩间土凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）；
Cp、Φp — 桩体凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）。
经计算，处理后③3层复合地基的强度指标为：凝聚力Cc=15.1kPa，内摩擦角Φc=25.3°；④2层复合地基：凝聚力Cc=22.4 kPa，内摩擦角Φc=17.9°；②3层复合地基：凝聚力Cc=21.8 kPa，内摩擦角Φc=16.1°。
四、方案比选
从地基处理方案可行性、工程施工技术、工程投资等方面，对单个第二节翼墙地基加固方案从技术和经济方面进行比选。
（1）可行性
根据上述3种地基处理方案设计情况，如果水泥土搅拌桩土体抗压强度能够达到1500kPa，则水泥土搅拌桩方案也可行，考虑到地基②3层软土中局部腐蚀质含量较大，根据附近区域水泥土搅拌施工情况，在含有腐蚀质的土体中，搅拌桩桩身强度往往难以达到1500kPa，且桩体局部不易成型，因此，在本工程中水泥土搅拌桩方案存在较大的风险，该方案不可行；预制桩方案在对于墙后存在高回填土的结构时，由于墙后回填土的作用，导致地基下沉大于建筑物桩基处理，易导致基础底面局部与地基土体脱空现象，在水利工程桩易引起渗流破坏；劲性复合桩是介于水泥土搅拌桩和刚性桩之间的桩型，桩土联合作用优于预制桩方案；预制柱方案和劲性复合桩方案均可行。
（2）施工技术及环境影响
预制桩方案施工技术较为成熟，施工对周边建筑物存在一定的影响，施工工期较短。劲性复合桩地基处理方案是近几年来逐步走向成熟的施工技术，施工技术结合了水泥土搅拌桩和振冲桩的工艺特征，并形成了劲性复合桩自身的施工工法，施工对周边建筑物影响较小。
（3）工程投资
经估算，预制桩方案的工程投资为19.27万元，劲性复合桩方案工程投资为15.44万元，劲性复合桩方案工程投资较为节省。
五、结论
地基处理是水工建筑物建设的重要环节，是主体工程质量保证的关键因素。对于深厚软弱土层，地基处理方式多种多样，设计方案应根据不同地质条件、上部结构要求、周边影响限制条件，因地制宜选择合适的方法。
本文通过方案比选，劲性复合桩地基处理方案的桩土联合作用效应更好，且工程投资相对较为节省，尽管施工工期略长，但不影响整个工程工期。因此，针对本工程立交地涵部分翼墙地基处理方案，选择劲性复合桩地基处理方案较为合适。
参考文献：
[1]新孟河延伸拓浚工程奔牛水利枢纽工程地质勘察报告
[2]新孟河延伸拓浚工程奔牛水利枢纽工程初步设计报告
[3]中华人民共和国行业标准，劲性复合桩技术规程（JGJ/T327-2014）[S].2014.
[4]中华人民共和国行业标准，建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）[S].2012.
论文作者:王洪玉1,朱振宇2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/29
标签：地基论文; 工程论文; 方案论文; 水泥论文; 承载力论文; 壤土论文; 桩基论文; 《防护工程》2018年第11期论文;